经典捕鱼:量子精密测量为暗物质搜寻提供新手段

 宇宙物质组成中的绝大部分为暗物质，占到了约85%，我们所熟悉的普通物质只占约15%。为了寻找这些神秘的暗物质粒子，多个国家布局一系列国家级甚至世界级暗物质探测的实验探测计划，然而迄今为止还没有找到暗物质存在的直接证据。

  彭新华研究组利用气态氙和铷原子混合蒸气室，发明了具有超高灵敏度的新型核自旋量子测量技术，实现了国际最佳灵敏度的核自旋磁传感器。该工作报道了一种全新的自旋放大效应，其放大机制完全不同于以往机制。该技术利用激光先极化铷原子蒸气，再利用铷与气态氙原子的自旋交换碰撞，从而将氙原子的核自旋极化。相比传统热极化方法，新技术利用光极化的方法获得了接近0.3的自旋极化度，远超过传统方法。传统方法采用对氙原子进行外部探测，而新技术通过铷原子与氙原子的随机自旋交换碰撞，就可以将氙原子的信号高灵敏读出，极大地简化了装置体积和复杂度。基于该物理机制，研究人员设计出磁场量子放大器，并将这台自旋放大器与团队已发展的原子磁力计相结合，将原子磁力计的磁探测灵敏度提高了100倍。

  大量理论预测暗物质与原子核会发生极微弱的相互作用，这种相互作用相当于在原子核自旋上施加一个微小磁场——“赝磁场”。利用超灵敏磁场探测装置可以检验这一微小的赝磁场，以此来寻找暗物质粒子存在的迹象。彭新华研究组利用自旋放大器来放大暗物质产生的“赝磁场”，大大提高了暗物质的搜寻灵敏度。相比传统大型暗物质科学装置，该设备只需桌面尺寸的空间布局。

  这一成果充分展示了量子精密测量技术与暗物质探测的交叉融合，有望激发宇宙天文学、粒子物理学和原子分子物理学等多个基础科学的广泛兴趣。